PBL教学模式在生物实验教学中的应用

杨桂兰，陈双慧，刘 瑞，程木华

（哈尔滨师范大学生命科学与技术学院，黑龙江哈尔滨 150025）

21世纪是一个创新的世纪。两弹一星元勋钱学森曾经说过：“现在中国没有完全发展起来，一个重要原因是没有一所大学能够按照培养科学技术发明创造人才的模式去办学，没有自己独特的、创新的东西，老是冒不出杰出的人才。这是一个很大的问题。”［1］创新世纪需要创新教育，创新教育重在创新人才的培养，而高校是培养创新人才的重要基地。实验教学在高校创新体系中占有十分重要的地位，是培养学生创新精神和创新能力的重要途径之一。当前，生物实验课程教学模式经历了以教师为中心的教学模式、以学生为中心的教学模式以及时下广为应用的教师为主导－学生为主体教学模式的转变［2］。长期以来，实验教学由于重理论，轻实践，重知识，轻能力，培养出来的大多数学生缺乏创造性和分析问题、解决问题的实际能力，创新意识和创新理念的培养更是无从谈起［3］。笔者经过长期教学研究发现，在教学环节中以问题为中心展开讨论，师生间互动交流，能够激发学生自主能动性和创新能力，而这就是国际上较为流行的一种教学模式——PBL（Problem－Based Learning）教学模式［4］。PBL 是增强学生综合素质的一种有效教学手段，是现代教育中颇具潜力的一种教学模式。将PBL 教学模式应用于生物实验教学中培养学生的生物学素养与创新能力，将会是生物实验教学发展的一种趋势。

1 PBL教学模式简介

PBL（Problem－Based Learning）被称为“以问题为基础的学习”，是由美国南依利诺斯大学的霍华德·白瑞斯（Howard Barrows）于1969 年在加拿大的麦克玛斯特大学医学院首先试行的一种新型的教学模式，其注重创新思维、合作学习等能力的培养，充分体现了以人为本的新课程理念。他和安·凯尔森（Ann Kelson）博士给PBL 下了定义：“PBL 既是一种课程也是一种学习方式。”［5］PBL 的最大优点是克服了授受式教学中以教师为中心、以教材为依据、以教室为依托的“你听我讲”的灌输知识的弊端和发现式教学中学生掌握知识的盲目性和缺乏系统性的弊端。PBL 整合了授受式教学和发现式教学的优势，在教学过程中形成师生“学习共同体”，充分体现了教师和学生的共同协作、优势互补的特点，师生双方都在围绕“解决问题”而展开教学活动，教师不再一味地灌输知识，而是从讲台前走向了课桌旁，学生也不再是单纯地被动接受知识，相反，每个人都成了问题的解决者，成为自己学习的第一责任人。PBL 教学模式以“问题”为核心，所有的学习活动都是围绕问题的解决而展开的。PBL 教学理念认为“问题是学习的起点也是选择知识的依据”，学习过程中学生是主体，教师是学生学习的推动者或辅导者［6］。

2 PBL教学模式在生物实验教学中的应用

PBL 教学模式具有问题基础性、团队协作性、知识系统性、研究探索性、师生交互性等特点，不仅重视知识的有效传递，而且有利于学生创新能力的培养［7］。PBL教学组织过程大致包括：提出问题（教师或学生）→划分小组（学生）→归纳假设（学生）→收集资料（学生）→论证研究（教师、学生）→解决问题（教师、学生）→进行验证（教师、学生）→提出新问题（教师）［8］。本文中以“利用质壁分离法测定植物组织渗透势”实验为例，介绍采用PBL 教学模式，并通过如何设定“问题”、解决“问题”来培养学生的创新能力。

2.1 问题的设计思路

在教学过程中，教师需要根据现有条件及学生的知识背景精心设计问题并提出可行性问题。本着前苏联心理学家维果茨基提出的“最近发展区”原则，PBL中的问题应该难度适中，并且在学生已有旧知识与即将自主学习的新知识之间搭建起一座桥梁，从而使学习变得有意义［9］。本实验的问题设计思路如下：首先让学生了解渗透作用具备的条件，然后利用渗透作用原理测定植物组织渗透势。在实验过程中，让学生利用已有的实验材料鉴定哪种植物更适合做质壁分离实验。同时，自己也可以提出不同的观点，如使用其他的植物做实验材料效果会不会更好？

2.2 实验的组织

作为植物抗旱和抗盐的一种机制，渗透调节越来越引起人们的重视［10］。植物通过渗透作用来调节细胞的渗透势，进而使自己在逆境环境中得以生存。那么，渗透作用的产生具备哪些条件呢？这是实验中提出的第1个问题。

教师给出实验用具和材料让学生自行设计实验并验证：在一个长颈漏斗的漏斗口外密封上一层玻璃纸（一种半透膜，水分子可以透过它，而蔗糖分子则不能），往漏斗内注入蔗糖溶液，然后将漏斗浸入盛有清水的烧杯中，使漏斗管内外的液面高度相等。过一段时间后，会出现如图1所示的现象［11］。

图1 渗透现象示意图

由此可以得出结论，渗透作用的产生必须具备2个条件：一是具有一层半透膜，二是半透膜两侧的溶液具有浓度差［12］。成熟的植物细胞具有中央大液泡，内有一定浓度的细胞液，其细胞膜、液泡膜及两层膜之间的细胞质即为原生质层，原生质层相当于一层半透膜，只要原生质层的两侧有浓度差就会发生质壁分离或复原。

在观察“植物细胞质壁分离和复原”的实验教学中，传统教材中的方法是以紫色洋葱鳞片为材料进行的。有的研究者也用水绵和鲜艳大花植物的花瓣（如大丽花、月季花、碧桃花）做实验材料［13］。

教师提供3种植物作为实验材料，哪种材料实验效果会更好呢？这是实验中提出的第2个问题。

学生将选取的材料按要求制成临时装片，分别滴加预先配置好的0.20g／ml、0.30g／ml和0.40g／ml的蔗糖溶液，放在光学显微镜下进行连续观察。从滴入制备液开始计时，直到植物细胞有了明显的质壁分离为止。最后再观察质壁分离后的细胞能否再复原，做好记录。时间用秒表测定，要重复做3次求取平均值，并将结果与表1对照。

表1 不同浓度的蔗糖溶液对大丽花、洋葱、水绵的质壁分离和复原情况

表1表明：虽然3种植物细胞在同种溶液的适宜浓度下均可发生质壁分离及复原现象，但从有利于教学实验需要时间较短，能清楚地观察到细胞质壁分离和复原的现象上看，用大丽花（新鲜花瓣）做实验材料，质壁分离及复原所需时间相对较少，并且分离现象较明显，动态感很强。

渗透调节能力的大小可以用逆境条件下细胞渗透势的降低值来表示，在水分生理与抗性生理研究中经常需要测定。

如何测定植物组织的渗透势呢？此时，教师引导学生采用质壁分离法，用一系列梯度浓度蔗糖溶液测定植物组织细胞的渗透势。首先，配制0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.35、0.40、0.45、0.50 mol／L 的蔗糖溶液各50mL。其次，制备临时装片：取新鲜花瓣于食指和拇指间，用食指和拇指稍用力一搓，除去非表皮组织，即可获得薄而略透明的花瓣表皮［12］。最后，细胞的等渗浓度将介于刚刚引起初始质壁分离的浓度和尚不能引起质壁分离的浓度之间的溶液浓度。代入公式即可计算出其渗透势。渗透势－ψs＝RTiC1。

2.3 结果分析与评价

实验结束后，大部分学生的实验结果基本符合理论值。说明学生实验操作基本达到要求，实验过程也比较认真。有一小部分的学生实验结果有偏差，教师应引导学生分析其原因，如在做质壁分离与复原实验时实验的现象不明显，可能是选取的实验材料不新鲜；没有按照要求制作临时装片，导致观察不到实验现象；没有连续地观察实验，计时不准确等。在整个实验过程中，教师要及时做出准确的评价并反馈给学生。

3 实验的深度拓展及对学生创新能力的启发和培养

生物科学是建立在实验基础上的自然科学，生物实验教学是通过观察和实验进行生物学科学知识学习、技能锻炼、实践能力和创新能力培养的教学形式，同时，也是教学方式较为灵活的一门科学。在生物实验中引入PBL教学模式，让学生在不断讨论、质疑的过程中，学习内容的宽度、深度和广度也将逐渐得到扩展［14］。同时，学生有可能提出与课本不同的看法并提出质疑：用一层纱布代替玻璃纸，漏斗管内的液面还会升高吗？如果烧杯中不是清水，而是同样浓度的蔗糖溶液，结果会怎样？除上述3种材料外还有没有更好的植物适合做质壁分离实验呢？还有没有其他方法测定植物组织的渗透势？

这样，在实验教学中教师鼓励学生打破思维定势，激发学生的发散思维，在同一个实验中，就可以让学生体验到不同的实验类型：既可以做基础层面的验证性实验，又可以进行提高层面的设计性实验，更可以拓展到综合层面的应用性实验和创新性实验［15］。这种模式不但可以强化所学知识，还有助于培养学生批判性思维能力，充分发挥主观能动性，进而加强学生创新能力的培养。

4 结束语

PBL教学模式是一个自学、讨论、再自学、再讨论的学习过程，学生成为学习和教学的主体［13］。古语云：“授人以鱼，不如授人以渔。”因此，培养学生的学习方法极其重要。学生只有不断地思考、综合和概括，才能真正掌握所学的知识，并将其应用到实际生活中，成为一个具有创新能力的高素质人才。将PBL 教学模式应用于生物实验教学，将是生物实验教学发展的一种趋势。

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